Termitthauger avslører hemmeligheten bak å skape "levende og pustende" bygninger som bruker mindre energi

Termitthauger avslører hemmeligheten bak å skape "levende og pustende" bygninger som bruker mindre energi

Tidsstempel: 26. mai 2023 2:09
Kilde node: 2680880
26. mai 2023 (Nanowerk Nyheter) Blant de rundt 2,000 kjente artene av termitter, er noen økosystemingeniører. Haugene bygget av noen slekter, for eksempel Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes og Odontotermes, når opptil åtte meter høye, noe som gjør dem til noen av verdens største biologiske strukturer. Naturlig utvalg har arbeidet med å forbedre "designet" av haugene deres over titalls millioner år. Hva kan menneskelige arkitekter og ingeniører lære hvis de går til termittene og vurderer deres veier? I en ny studie i Grenser i materialer ("Termittinspirerte metamaterialer for flytaktive bygningskonvolutter"), viste forskere hvordan termitthauger kan lære oss å skape behagelige indre klimaer for bygningene våre som ikke har karbonfotavtrykket til klimaanlegg. "Her viser vi at "utgangskomplekset", et intrikat nettverk av sammenkoblede tunneler som finnes i termitthauger, kan brukes til å fremme strømmer av luft, varme og fuktighet på nye måter i menneskelig arkitektur," sa Dr David Andréen, senior foreleser ved forskningsgruppen bioDigital Matter ved Lunds universitet, og studiens førsteforfatter.

Termitter fra Namibia

Andréen og medforfatter Dr Rupert Soar, en førsteamanuensis ved School of Architecture, Design and the Built Environment ved Nottingham Trent University, studerte hauger av Macrotermes michaelseni termitter fra Namibia. Kolonier av denne arten kan bestå av mer enn en million individer. I hjertet av haugene ligger de symbiotiske sopphagene, dyrket av termittene for mat. En del av utgangskomplekset til en haug med Macrotermes michaelseni termitter fra Namibia En del av utgangskomplekset til en haug med Macrotermes michaelseni termitter fra Namibia. (Bilde: D. Andréen) Forskerne fokuserte på utgangskomplekset: et tett, gitterlignende nettverk av tunneler, mellom 3 mm og 5 mm brede, som forbinder bredere kanaler innvendig med eksteriøret. I regntiden (november til april) når haugen vokser, strekker denne seg over den nordvendte overflaten, direkte utsatt for middagssolen. Utenfor denne sesongen holder termittarbeidere utgangstunnelene blokkert. Komplekset antas å tillate fordamping av overflødig fuktighet, samtidig som tilstrekkelig ventilasjon opprettholdes. Men hvordan fungerer det? Andréen og Soar utforsket hvordan utformingen av utgangskomplekset muliggjør oscillerende eller pulslignende strømmer. De baserte eksperimentene sine på den skannede og 3D-printede kopien av et utgangskompleksfragment samlet i februar 2005 fra naturen. Dette fragmentet var 4 cm tykt med et volum på 1.4 liter, hvorav 16 % var tunneler. De simulerte vind med en høyttaler som drev oscillasjoner av en CO2-luftblanding gjennom fragmentet, mens de sporet masseoverføringen med en sensor. De fant at luftstrømmen var størst ved oscillasjonsfrekvenser mellom 30 Hz og 40 Hz; moderat ved frekvenser mellom 10 Hz og 20 Hz; og minst ved frekvenser mellom 50 Hz og 120 Hz.

Turbulens hjelper ventilasjonen

Forskerne konkluderte med at tunneler i komplekset samhandler med vinden som blåser på haugen på måter som forbedrer masseoverføring av luft for ventilasjon. Vindoscillasjoner ved visse frekvenser genererer turbulens inne, hvis effekt er å frakte luftveisgasser og overflødig fuktighet bort fra haugens hjerte. «Når du ventilerer en bygning, ønsker du å bevare den delikate balansen mellom temperatur og fuktighet som skapes inne, uten å hindre bevegelsen av gammel luft utover og frisk luft innover. De fleste VVS-systemer sliter med dette. Her har vi et strukturert grensesnitt som tillater utveksling av luftveisgasser, ganske enkelt drevet av forskjeller i konsentrasjon mellom den ene siden og den andre. Forholdene inne er dermed opprettholdt,” forklarte Soar. Forfatterne simulerte deretter utgangskomplekset med en serie 2D-modeller, som økte i kompleksitet fra rette tunneler til et gitter. De brukte en elektromotor for å drive en oscillerende vannmasse (synliggjort med et fargestoff) gjennom tunnelene, og filmet massestrømmen. De fant, til deres overraskelse, at motoren trengte å bevege luft frem og tilbake bare noen få millimeter (tilsvarende svake vindsvingninger) for at flo og fjære skulle trenge gjennom hele komplekset. Viktigere, den nødvendige turbulensen oppsto bare hvis layouten var tilstrekkelig gitterlignende.

Levende og pustende bygninger

Forfatterne konkluderer med at utgangskomplekset kan muliggjøre vinddrevet ventilasjon av termitthauger ved svak vind. "Vi ser for oss at bygningsvegger i fremtiden, laget med nye teknologier som pulverbed-skrivere, vil inneholde nettverk som ligner på utgangskomplekset. Disse vil gjøre det mulig å flytte luft rundt, gjennom innebygde sensorer og aktuatorer som bare krever små mengder energi, sa Andréen. Soar konkluderte: "3D-utskrift i konstruksjonsskala vil bare være mulig når vi kan designe strukturer så komplekse som i naturen. Utgangskomplekset er et eksempel på en komplisert struktur som kan løse flere problemer samtidig: holde komforten inne i hjemmene våre, samtidig som den regulerer strømmen av luftveisgasser og fuktighet gjennom bygningskonvolutten.» "Vi er på randen av overgangen mot naturlignende konstruksjon: for første gang kan det være mulig å designe en ekte levende, pustende bygning."

Tidstempel:

Mer fra Nanowerk